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接触角测量的方法和应用

更新时间:2023-02-02浏览:688次

   在做接触角测试时,科学指南针检测平台工作人员在与很多同学沟通中了解到,好多同学对接触角测量不太了解,针对此,科学指南针检测平台团队组织相关同事对网上海量知识进行整理,希望可以帮助到科研圈的伙伴们;

  接触角是指当一液体与固体表面相接触时,液体在与固体表面相接触(点)处(三相接触边界,3PCP)其液/气-界面形状走向的切线与固体表面(包括液体相一侧)之间的夹角。这一角度的值标志着液体在固体表面的润湿性:当润湿性很好时,液体可以在固体表面铺展开,呈现0°的接触角值;当润湿性很差时,液体在固体表面无法铺展,只能聚集在一起而包成一团,呈现180°的接触角值;当润湿性界于很好与很差之间时,液体在固体表面可以有限度地铺展开来,形成介于0°~180°之间的接触角。这一有限的接触角值是体系中各个不同的相互作用力的平衡,也是体系趋向低能量的结果。涉及的相互作用力包括。
  1.液体自身的表面张力(γL):这一值越大,液体越倾向于聚集在一起、包成一团,而不愿意在固体表面上铺展开来;
  2.固体自身的表面张力或表面(自由)能(γS):这一值越大,固体表面的能量位越高,越希望有能量较低的液体层能够在其上面铺展开来而覆盖它,以降低体系的能量;
  3.液体/固体表面-界面的相互作用力(γSL):这一值越小,固体表面对液体的吸引力越大,液体越能够在其上面铺展开来,导致较低的接触角值。
  所以,如果希望液体能够较好地润湿固体表面:液体的表面张力值越低、固体的表面能值越高、液体/固体表面-界面的相互作用力越强就越有利。
  反之,如果希望液体最好不要润湿固体表面:液体的表面张力值越高、固体的表面能值越低、液体/固体表面-界面的相互作用力越弱就越有可能。
  如果假设液体的表面张力值(γL)是已知的(这一值可以直接测量,所以比较容易准确获得);如果再假设,γSL与γS、γL之间存在某一确定的依赖关系,如γSL=f(γS,γL)
  那么接触角的值θ,与这些相互作用力之间的关系,可以表达为:θ=g(γS,γL,γSL)=g(γS,γL,f(γS,γL))=h(γS,γL)
  也就是说,接触角的值与液体表面张力和固体表面能有关(上式中的f,g和h均表示一定的函数/依赖关系)。当前者给定时,其值直接与固体表面能相关。所以测量所使用的液体也被称为探针液体(probe),通过测量它在固体表面的接触角值,可以用来探测固体表面的表面能值,也即固体表面的润湿属性,而这也正是接触角测量之应用基础。
  接触角值的测量目前有二种常用的方法:基于称量的Modified Wilhelmy Plate方法和基于液面(liquid meniscus)形状分析的光学法。前者属于间接的方法,后者属于直接方法。

 

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